JP6107013B2 - 半導体封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents
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Description
(A)エポキシ樹脂。
(B)ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂およびフェノールノボラック樹脂。
(C)無機質充填剤。
(D)シラノール基を含有し、かつアルコキシ基を含有しないシリコーン化合物。
なお、本発明において、常温とは、通常、20℃±15℃の範囲をいう。
上記エポキシ樹脂(A成分)としては、各種エポキシ樹脂が用いられる。例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂等があげられる。これらは単独でもしくは2種以上併せて用いられる。そして、これらエポキシ樹脂の中でも、ビフェニル型エポキシ樹脂や、低級アルキル基をフェニル環に付加したような低吸湿型のエポキシ樹脂を用いることが、信頼性・成形性の点から好ましい。このようなエポキシ樹脂としては、例えば、エポキシ当量150〜250、軟化点もしくは融点が50〜130℃のものが好適に用いられる。
上記エポキシ樹脂(A成分)とともに用いられるフェノール樹脂(B成分)は、上記エポキシ樹脂(A成分)の硬化剤としての作用を有するものであり、1分子中に2個以上のフェノール性水酸基を有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般をいう。例えば、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビフェニル型ノボラック樹脂、トリフェニルメタン型フェノール樹脂、ナフトールノボラック樹脂、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂等があげられる。これらは単独でもしくは2種以上併せて用いられる。そして、これらフェノール樹脂の中でも、フェノールアラルキル樹脂、ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂のような低吸湿性のもの、または場合によりフェノールノボラック樹脂を用いることが信頼性・成形性の点から好ましい。
上記AおよびB成分とともに用いられる無機質充填剤(C成分)としては、各種充填剤が用いられ、例えば、溶融シリカ粉末や結晶性シリカ粉末等のシリカ粉末、アルミナ粉末、タルク、窒化アルミニウム粉末、窒化珪素粉末等があげられる。これら無機質充填剤は、破砕状、球状、あるいは摩砕処理したもの等いずれのものでも使用可能である。そして、これら無機質充填剤は単独でもしくは2種以上併せて用いられる。なかでも、シリカ粉末を用いることが好ましく、上記シリカ粉末の中でも溶融シリカ粉末を用いることが、高充填性、高流動性という点から特に好ましい。上記溶融シリカ粉末としては、球状溶融シリカ粉末、破砕溶融シリカ粉末があげられるが、流動性という観点から、球状溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。
上記A〜C成分とともに用いられる特定のシリコーン化合物(D成分)は、その構造的特徴として、ケイ素に直接結合する官能基にアルコキシ基を含有せず、シラノール基を含有するという特徴的構造を有するものである。このような特徴的構造を有するシリコーン化合物を単独でもしくは2種以上併せて用いられる。上記シラノール基の含有量は、シリコーン化合物全体の2〜10重量%であることが好ましく、特に好ましくは3〜8重量%である。
なお、本発明の半導体封止用エポキシ樹脂組成物には、上記A〜D成分に加えて、硬化促進剤が適宜用いられる。さらに、シランカップリング剤、難燃剤、難燃助剤、離型剤、イオントラップ剤、カーボンブラック等の顔料や着色料、低応力化剤、粘着付与剤等の他の添加剤を必要に応じて適宜配合することができる。
このようにして得られるエポキシ樹脂組成物を用いての半導体素子の封止方法は、特に制限するものではなく、通常のトランスファー成形等の公知のモールド方法により行うことができ、半導体装置化することができる。このようにして得られる半導体装置としては、ICやLSI等の半導体装置等があげられる。
ビフェニル型エポキシ樹脂(エポキシ当量192、融点105℃)
ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂(水酸基当量203、軟化点65℃)
〔フェノール樹脂b2〕
フェノールノボラック樹脂(水酸基当量104、軟化点60℃)
〔フェノール樹脂b3〕
フェノールノボラック樹脂(水酸基当量104、軟化点83℃)
2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール
シラノール基含有量6重量%、アルコキシ基含有量0重量%、比重1.25、重量平均分子量2000、有機置換基:フェニル基(東レ・ダウコーニング社製、217FLAKE)
〔シリコーン化合物d2〕(実施例)
シラノール基含有量6重量%、アルコキシ基含有量0重量%、比重1.25、重量平均分子量2000、有機置換基:フェニル基/プロピル基(東レ・ダウコーニング社製、SH6018FLAKE)
〔シリコーン化合物d3〕(実施例)
シラノール基含有量6重量%、アルコキシ基含有量0重量%、比重1.33、重量平均分子量3000、有機置換基:フェニル基/メチル基(東レ・ダウコーニング社製、220FLAKE)
〔シリコーン化合物d4〕(比較例)
シラノール基含有量0重量%、アルコキシ基(メトキシ基)含有量17重量%、比重1.15、重量平均分子量1400、有機置換基:フェニル基/メチル基(東レ・ダウコーニング社製、3074INTERMEDIATE)
〔シリコーン化合物d5〕(比較例)
シラノール基含有量0重量%、アルコキシ基(メトキシ基)含有量31重量%、比重1.15、重量平均分子量1500、有機置換基:メチル基(東レ・ダウコーニング社製、SR2402)
〔シリコーン化合物d6〕(比較例)
シラノール基含有量0重量%、アルコキシ基(メトキシ基)含有量25重量%、比重1.07、重量平均分子量4500、有機置換基:メチル基(東レ・ダウコーニング社製、AY42−163)
〔シリコーン化合物d7〕(比較例)
シラノール基含有量0重量%、アルコキシ基(メトキシ基)含有量18重量%、比重1.07、重量平均分子量1000、有機置換基:フェニル基/メチル基(東レ・ダウコーニング社製、3037INTERMEDIATE)
〔シリコーン化合物d8〕(比較例)
シラノール基含有量0重量%、アルコキシ基(メトキシ基)含有量15重量%、比重1.13、有機置換基:フェニル基/メチル基(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製、TSR165)
〔シリコーン化合物d9〕(比較例)
シラノール基含有量0重量%、アルコキシ基(メトキシ基)含有量14重量%、比重1.13、有機置換基:メチル基(モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ社製、XR31−B2733)
〔シリコーン化合物d10〕(比較例)
シラノール基含有量0重量%、アルコキシ基(メトキシ基)含有量30重量%、比重1.15、有機置換基:メチル基(信越化学工業社製、KR−500)
〔シリコーン化合物d11〕(比較例)
シラノール基含有量0重量%、アルコキシ基(メトキシ基)含有量15重量%、比重1.11、有機置換基:フェニル基/メチル基(信越化学工業社製、KR−9218)
下記の無機質充填剤A群(A1〜A6)から任意に選んだ1種と無機質充填剤Bとを混合することによって、下記の無機質充填剤c1〜c17を調製した。なお、その混合比(重量比)は、無機質充填剤c1〜c17の平均粒径(μm),粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合(重量%)とともに、下記の無機質充填剤c1〜c17の欄に示す。また、下記の平均粒径(μm),粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合(重量%)は、島津製作所社製のレーザー回折式粒度分布測定装置SALD−7000によって前記基準に従い測定したものである。
無機質充填剤A1:平均粒径10μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が1重量%である球状溶融シリカ粉末
無機質充填剤A2:平均粒径14μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が1重量%である球状溶融シリカ粉末
無機質充填剤A3:平均粒径20μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が1重量%である球状溶融シリカ粉末
無機質充填剤A4:平均粒径25μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が1重量%である球状溶融シリカ粉末
無機質充填剤A5:平均粒径29μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が1重量%である球状溶融シリカ粉末
無機質充填剤A6:平均粒径35μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が1重量%である球状溶融シリカ粉末
無機質充填剤B:平均粒径2μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が80重量%である球状溶融シリカ粉末
球状溶融シリカ粉末(平均粒径13μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が4重量%、無機質充填剤A2と無機質充填剤Bとの混合比が96:4(重量比))
〔無機質充填剤c2〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径9μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が25重量%、無機質充填剤A3と無機質充填剤Bとの混合比が70:30(重量比))〔無機質充填剤c3〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径4μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が27重量%、無機質充填剤A2と無機質充填剤Bとの混合比が68:32(重量比))〔無機質充填剤c4〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径13μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が23重量%、無機質充填剤A4と無機質充填剤Bとの混合比が73:27(重量比))
〔無機質充填剤c5〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径9μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が8重量%、無機質充填剤A2と無機質充填剤Bとの混合比が91:9(重量比))
〔無機質充填剤c6〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径9μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が38重量%、無機質充填剤A4と無機質充填剤Bとの混合比が54:46(重量比))〔無機質充填剤c7〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径2μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が44重量%、無機質充填剤A3と無機質充填剤Bとの混合比が46:54(重量比))〔無機質充填剤c8〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径2μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合29重量%、無機質充填剤A1と無機質充填剤Bとの混合比が49:51(重量比))
〔無機質充填剤c9〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径9μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が43重量%、無機質充填剤A5と無機質充填剤Bとの混合比が47:53(重量比))〔無機質充填剤c10〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径9μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が3重量%、無機質充填剤A1と無機質充填剤Bとの混合比が98:2(重量比))
〔無機質充填剤c11〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径18μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が43重量%、無機質充填剤A6と無機質充填剤Bとの混合比が47:53(重量比))
〔無機質充填剤c12〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径18μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が23重量%、無機質充填剤A5と無機質充填剤Bとの混合比が73:27(重量比))
〔無機質充填剤c13〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径18μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が4重量%、無機質充填剤A3と無機質充填剤Bとの混合比が96:4(重量比))
〔無機質充填剤c14〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径4μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が38重量%、無機質充填剤A3と無機質充填剤Bとの混合比が54:46(重量比))〔無機質充填剤c15〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径13μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が39重量%、無機質充填剤A5と無機質充填剤Bとの混合比が53:47(重量比))
〔無機質充填剤c16〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径4μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が7重量%、無機質充填剤A1と無機質充填剤Bとの混合比が96:4(重量比))
〔無機質充填剤c17〕
球状溶融シリカ粉末(平均粒径13μm、粒度分布における粒径2μm以下の粒子の割合が7重量%、無機質充填剤A3と無機質充填剤Bとの混合比が92:8(重量比))
カーボンブラック
水酸化マグネシウム
3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン
酸化ポリエチレンワックス
後記の表1〜表7に示す各成分を同表に示す割合で配合し、ミキサーにて充分混合した後、2軸混練機を用い100℃にて2分間溶融混練した。つぎに、この溶融物を冷却した後、固体状になったものを粉末状に粉砕することにより目的とする粉末状エポキシ樹脂組成物を作製した。
実施例、参考例および比較例の各エポキシ樹脂組成物を、上記成形条件にて、大きさ:3mm(W)×3mm(D)×20mm(H)の試験片に成形し、その後上記条件で後硬化させることによりTMA測定用試験片を作製した。上記試験片の高さ方向の寸法を、ティーエーインツルメント社製の熱機械分析装置(Q400)により、圧縮法(荷重0.05N)で25〜175℃の温度範囲を昇温速度5℃/分にて昇温測定を行い、50〜60℃の温度範囲での線膨張係数(CTE1)を算出した。
(1)実施例1〜6および比較例1〜8の場合(樹脂系1)
シリコーン化合物配合量当たりの線膨張係数増加率(CTE1増加率:ppm/wt%)=〔(各サンプルのCTE1−樹脂系1のCTE1)/シリコーン化合物配合量〕×100
(2)実施例7〜9および比較例9〜12の場合(樹脂系2)
シリコーン化合物配合量当たりの線膨張係数増加率(CTE1増加率:ppm/wt%)=〔(各サンプルのCTE1−樹脂系2のCTE1)/シリコーン化合物配合量〕×100
(3)参考例1,3〜18、および比較例13の場合(樹脂系3)
シリコーン化合物配合量当たりの線膨張係数増加率(CTE1増加率:ppm/wt%)=〔(各サンプルのCTE1−樹脂系3のCTE1)/シリコーン化合物配合量〕×100
(4)参考例2および比較例14の場合(樹脂系4)
シリコーン化合物配合量当たりの線膨張係数増加率(CTE1増加率:ppm/wt%)=〔(各サンプルのCTE1−樹脂系4のCTE1)/シリコーン化合物配合量〕×100
得られた実施例および比較例の各エポキシ樹脂組成物を用い、半導体素子を上記条件でトランスファー成形により樹脂封止することにより片面樹脂封止型パッケージを得た。そして、得られた片面樹脂封止型パッケージを、常温(25℃)での反り評価に用いた。すなわち、上記のようにして得られた各エポキシ樹脂組成物を用い、図1に示すように、半導体素子搭載基板であるBTレジン(JCI社製)(大きさ:49mm×49mm×厚み0.21mm)1上に、半導体素子であるSiチップ(大きさ:30mm×30mm×厚み0.2mm)2を搭載して固定し、この搭載面側のみを樹脂封止(封止樹脂3サイズ:49mm×49mm×厚み0.45mm)することにより片面封止タイプの半導体装置を作製した。図1において、4はSiチップ2とBTレジン1上の回路部分(図示せず)とを接続するボンディングワイヤー、5はBTレジン1の他面に形成された半田端子である。
得られた実施例、参考例および比較例の各エポキシ樹脂組成物を用い、上記成形条件にて、大きさ:直径50mm×厚み3mmの円盤状の試験片に成形し、その後上記条件で後硬化させることにより吸水率測定用試験片を作製した。上記試験片の絶対乾燥条件での試験片重量を予め測定しておき、その後、高温高湿信頼性試験と同一環境下(温度130℃、湿度85%RH)にて飽和吸水量となるまで(約80時間)吸湿させた。上記高温高湿環境下での飽和吸水量となるまで処理した試験片の重量から、絶対乾燥条件で測定した試験片重量を除して(引き算)、得られる吸水量が試験片重量においてどの程度の割合(重量%)になるかを算出し、その値を試験片の吸水率とした。そして、同一エポキシ樹脂−フェノール樹脂系の材料において、各種シリコーン化合物を所定量含有する各試験片の吸水率が、標準となる樹脂系からなるサンプル(シリコーン化合物を添加していない樹脂系1,2,3,4)の吸水率よりも低かったものを○、標準となる樹脂系からなるサンプルの吸水率よりも低くなかったものを×として評価した。
得られた実施例、参考例および比較例の各エポキシ樹脂組成物を用い、半導体素子を上記条件でトランスファー成形することにより片面樹脂封止型パッケージを作製した。そして、得られた片面樹脂封止型パッケージを用い、高温高湿環境下(130℃×85%RH)での信頼性試験(バイアス無し)を行なった。その後、高温高湿処理後の片面樹脂封止型パッケージの抵抗値測定を行ない、抵抗値の上昇率が10%以上となった場合を断線不良と判断して、この断線不良が発生する高温高湿処理時間を高温高湿信頼性の不良発生時間(NG時間)として定義し、評価した。そして、同一エポキシ樹脂−フェノール樹脂系の材料において、各種シリコーン化合物を所定量含有する各エポキシ樹脂組成物を用いて得られた片面樹脂封止型パッケージが、標準となる樹脂系を用いて得られた片面樹脂封止型パッケージ(シリコーン化合物を添加していない樹脂系1,2,3,4)のNG時間よりも長かったものを○、標準となる樹脂系を用いて得られた片面樹脂封止型パッケージのNG時間と同等あるいはそれよりも短くなったものを×として評価した。
得られた実施例、参考例および比較例の各エポキシ樹脂組成物を用い、大きさ7mm×7mmで深さ50μm,直径120μm,ピッチ200μmのバンプを有する銅製チップを実装した銅製ダミー基板を、プレス機(TOWA社製)にて封止した。なお、チップとダミー基板の接着には液状接着剤を用いて、チップの四隅を接着した。また、充填条件は、175℃、トランスファー圧5kN、トランスファースピードを1.3mm/s、真空度を10torrとした。そして、封止後成形樹脂をチップごと基板から剥離し、光学顕微鏡を用いてチップ下のバンプ部分を観察し、その画像から未充填部分の面積を見積もり、チップ全体の面積に対する比率から狭ギャップの未充填率を算出した。このようにして、モールドアンダーフィルの狭ギャップへの充填性の評価において、上記未充填率が0.1%以下のものを○、未充填率が0.1%を超えるものを×と評価した。
2 半導体素子(Siチップ)
3 封止樹脂
4 ボンディングワイヤー
5 半田端子
Claims (8)
- 下記の(A)〜(C)成分とともに、下記の(D)成分を含有することを特徴とする半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
(A)エポキシ樹脂。
(B)ビフェニルアラルキル型フェノール樹脂およびフェノールノボラック樹脂。
(C)無機質充填剤。
(D)シラノール基を含有し、かつアルコキシ基を含有しないシリコーン化合物。 - 上記(D)成分であるシリコーン化合物の重量平均分子量が、1000〜5000である請求項1または2記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- 上記(D)成分であるシリコーン化合物の含有量が、エポキシ樹脂組成物全体の0.5〜5.0重量%の範囲に設定されている請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- 上記(C)成分である無機質充填剤の含有量が、エポキシ樹脂組成物全体の70〜92重量%の範囲に設定されている請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- 上記(C)成分である無機質充填剤が、平均粒径が3μm以上15μm以下でなおかつ、粒径2μm以下の粒子が無機質充填剤全体の5〜40重量%である粒度分布を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体封止用エポキシ樹脂組成物を用いて、半導体素子を樹脂封止してなる半導体装置。
- 上記半導体装置が、片面樹脂封止型パッケージである請求項7記載の半導体装置。
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